动载荷识别方法的研究进展

《力学进展》2015年文章推荐

动载荷识别方法的研究进展

杨智春,贾有

西北工业大学航空学院结构动力学与控制研究所, 西安 710072

摘要：大多数情况下,作用在工程结构上的动载荷,如高性能战斗机在大攻角机动飞行时作用在垂尾结构上的抖振载荷,是无法直接测量的,只能通过测试结构在动载荷作用下的动态响应来识别出结构的动载荷.首先阐述了动载荷识别的基本原理,然后根据结构模型的特点,将动载荷识别方法分为确定性结构的动载荷识别方法和不确定性结构的动载荷识别两大类,对近些年国内外学者在这两方面的研究进展进行述评,最后针对目前动载荷识别方法研究中所存在的问题,提出有待深入探讨的课题.

关键词：动载荷识别,正则化,卡尔曼滤波,人工智能,不确定性

DOI：10.6052/1000-0992-14-049

引用方式：杨智春,贾有. 动载荷识别方法的研究进展. 力学进展, 2015, 45: 201502

Advance of studies on the identification of dynamic load

YANG Zhichun, JIA You

Institute of Structural Dynamics and Control,School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072,China

Abstract：Dynamic load is the basis for evaluating the vibration fatigue properties of engineering structures.In most cases, it is difficult to directly measure the external dynamic loads acting on a vibrating structure. Thus research on the dynamic load identification methods plays an important role in many engineeringfields. In this paper, we first summarize the basic principles of dynamic load identification. We classify the dynamic load identification methods into two categories, i.e., those for deterministic structures and those for structures with uncertainties. Then we review the advances in the study of dynamic load identification methods for these two kinds of structures achieved in recent years, respectively. Some open problems and future research topics on dynamic load identification are discussed.

Keywords: dynamic load identification, regularization, Karman filter, artificial intelligence, uncertainty

1.引言

随着科学技术的不断发展,工程结构设计得越来越精细,为了确保所设计结构的可靠,设计人员需要准确知道作用在结构上的外载荷.一般来说,结构所承受的静态外载荷是比较容易预估的,而在对受动载荷作用的结构进行动强度校核时,除了考虑动载荷的幅值,还必须考虑动载荷的频率特性.当动载荷的频率范围覆盖结构的共振频率时,结构会因共振而引起结构振动疲劳问题.因此在进行大多数的工程结构设计时,不仅要考虑其设计静载荷,而且还必须考虑动载荷的影响,以避免其发生振动疲劳失效.在多数情况下,受技术条件或工作环境的限制,作用在结构上的动载荷难以直接测量甚至无法测量.例如,火车车轮与铁轨之间的接触载荷、柴油机工作时曲轴所承受的轴承载荷、高层建筑物所受到的脉动风载荷、飞机飞行中由于翼面上气流分离所产生的抖振载荷等(图1).

按照结构动力学理论,动载荷识别问题属于结构动力学的第2类反问题,它是根据结构在动载荷作用下的振动响应(应变、位移、加速度)和系统的特性参数(固有频率、振型、阻尼比等)来确定动载荷的过程.动载荷的识别流程如图2所示.

2 载荷识别的基本原理

为了便于了解各种动载荷识别方法的学术思想,本文首先简要介绍动载荷识别的基本原理及其在动载荷识别过程中所面临的各种困难.

2.1 模型的建立

根据图2的动载荷识别流程,为了进行结构的动载荷识别,首先需要建立一个能够反映结构动力学特性的数学模型.工程结构的建模分为理论建模与试验建模两大类,理论建模就是将具体的工程结构进行必要的简化处理,并采用合理的力学假设,根据力学原理建立起表征结构力学行为的数学方程...

2.2 结构振动响应的获取

准确获取结构的振动响应是进行动载荷识别的前提,结构的振动响应可以通过传感器从振动结构上直接测量得到.为了提高动载荷识别精度,测量结构振动响应时需要注意2个方面的问题:一方面的问题是传感器的优化布置,传感器位置布置不当,会导致系统矩阵出现病态,且得不到充分的动响应信息,进而降低动载荷识别的精度...

2.3 动载荷识别方法的选取及其正则化处理

众所周知,任何一种动载荷识别方法都不可能较准确地识别出所有类型的动载荷,这就需要根据实际情况和对动载荷类型的预先估计,来选用合适的动载荷识别方法.

在结构动力学理论中,动载荷识别问题属于结构动力学的第2类反问题,而从数学角度上来讲,大部分反问题都是不适定问题,即反问题至少不满足解的存在性、唯一性和稳定性3个条件中的一个.对于工程中的动载荷识别问题,存在性是必然满足的,因为引起结构振动响应的外载荷肯定是存在的,否则振动响应不会产生...

3 确定性结构的动载荷识别方法

经过多年的不断发展,确定性结构的动载荷识别方法层出不穷.为了便于分析和总结这些方法的基本思想和主要特点,本文根据动载荷识别方法的类型将其划分为5类:直接求逆法、正则化方法、卡尔曼滤波法、随机方法和基于人工智能的动载荷识别方法.

3.1 直接求逆法

直接求逆法是先建立动载荷与结构振动响应之间的关系式,然后通过直接求逆运算来确定动载荷的一种识别方法.直接求逆法原理简单,且易于实施,可以很方便地应用于频域和时域动载荷识别方法中,是早期进行动载荷识别的一种常用方法...

3.2 正则化方法

正则化方法最早是在20世纪60年代由Tikhonov提出来的,它是解决不适定问题的有效方法,其基本思想是通过对不适定问题施加合理的附加条件或者边界约束,求出一组可以接受的正则化解,然后从这一组正则化解中挑出最适合方程的解...

3.3 卡尔曼滤波方法

卡尔曼滤波理论是一个非常著名的状态估计理论,由于其估计的准确性,常被作为状态估计器来估计系统的运行状态.自从1960年该理论被提出以后,它就被广泛应用于工程领域中,根据该理论建立的卡尔曼滤波算法是一种递归的数据处理算法,它不需要存储过多的历史信息,而只需要不断的更新信息,因而占用的计算机存储空间...

3.4 随机方法

随机方法是从概率统计的角度来研究动载荷识别问题的一种方法,它主要应用于随机动载荷的识别问题.由于随机动载荷与其他类型的动载荷相比更复杂,所以研究随机动载荷识别的文献相对较少...

3.5 基于人工智能的动载荷识别方法

人工智能是20世纪50年代兴起的一门新兴学科,其主要功能是用人工智能系统来模拟人脑对问题的求解、推理和学习等能力,它涉及到多个学科领域的知识.人工智能可以分为传统人工智能和智能算法2大类,其中智能算法是以数据为基础,通过训练来建立数据间的联系,再利用这种联系进行问题的求解,它是目前人工智能研究的重点与方向.智能算法包括神经网络、遗传算法、模糊技术和人工生命等.用于动载荷识别的人工智能方法主要包括遗传算法、支持向量机、神经网络算法等.本节重点介绍人工神经网络在动载荷识别中的应用...

4 不确定性结构的动载荷识别方法

上文所述的动载荷识别方法都是针对确定性结构的,然而,实际工程结构中经常会存在难以准确确定的刚度参数、边界条件以及阻尼参数等各种不确定性因素.这些不确定性因素使得结构实际的动力学特性与名义设计值之间存在较大的偏差,从而严重影响到动载荷识别的精度.因此,研究不确定性结构的动载荷识别方法具有重要的现实意义,不确定性结构的动载荷识别方法是建立在描述不确定结构的数学模型基础上的.

4.1 概率模型

概率模型也称随机模型,即将不确定因素看成随机变量或者随机过程,利用概率统计的方法来研究不确定性现象...

4.2 区间模型

区间分析方法是近些年来发展起来的一个数学分支,区间模型就是用区间变量来表示不确定性变量,利用区间分析方法来研究结构不确定性现象的一种数学模型(Ramonetal.2009).

5 有待深入研究的课题

本文分别从确定性结构的动载荷识别方法及不确定性结构的动载荷识别方法的角度,综述了近年来动载荷识别方法的研究进展,重点介绍了各种方法的基本思想、研究结果及其优缺点.纵观动载荷识别方法的研究现状,可以看到,动载荷识别领域还有以下几个方面需要深入开展研究.

5.1 确定性结构的动载荷识别方面

(1)目前大部分的动载荷识别方法基本上是针对中、高频动载荷的,却很难准确的识别出低频范围的动载荷(<>

(2)对于大规模复杂工程结构,用直接正则化方法去解决这类大规模不适定问题时,精度和稳定性难以保证,迭代正则化方法虽然稳定性好,但收敛速度太慢.因此发展能够处理大规模不适定问题的高效正则化算法,对于解决大型复杂结构的动载荷识别问题具有重要的工程应用价值.

(3)目前关于分布随机动载荷,如飞机抖振载荷的识别问题研究较少,现有的方法也还不成熟,仍存在许多尚未解决的问题,因此,需要进一步加强分布随机动载荷识别方法的研究.

5.2 不确定性结构的动载荷识别方面

(1)随着科学技术的不断发展,对不确定因素的考虑将会越来越多,为了满足工程实际的需要,发展出适用于复杂不确定结构的动载荷识别方法是非常重要的,这也是最近几年动载荷识别方法研究领域的热点与难点.

(2)工程实际中,有很多结构具有强非线性,很难建立其准确的数学模型.基于人工智能的动载荷识别方法不需要知道结构准确的数学模型,能够很好地解决不确定性非线性结构的动载荷识别问题,但是每一种人工智能识别方法都有自身的优势和缺点,为了能够提高动载荷识别的在线性和准确性,将多种人工智能识别方法有效地结合起来,进行不确定性非线性结构的动载荷识别,也是工程结构动载荷识别研究领域将来发展的一个方向.

总之,动载荷识别研究领域还有很大的发展空间,研究具有适应性更广、更适合大型复杂结构动载荷识别的方法,不仅是针对结构动力学反问题的学术研究课题,也是工程结构设计的迫切需求.

致谢 高等学校学科创新引智计划资助项目(B07050).

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